运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统

1、第3章 转速、电流双闭环直流调速系统3.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性采用PI调节器、带电流截止环节的转速负反馈调速系统既实现了系统的稳定运行和无静差调速，又限制了起动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统已基本满足要求，但是如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起、制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统另外，在单闭环直流调速系统中只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在电流超过临界电流值Idcr以后才起作用，靠强烈的负反馈作用限制最大起

2、动电流，而不能保证在整个起动过程中维持最大电流，因而并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动时的电流和转矩波形如图3-1(a)所示。由图可见，随着转速的上升，电动机反电动势增加，使起动电流到达最大值后又迅速降下来，电磁转速也随之减小，影响了起动的快速性(即起动时间较长)，使起动过程延长。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图3-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形第3章 转速、电流双闭环直流调速系统对于龙门刨床、可逆压钢机那样经常正反转运行的调速系统，尽量缩短其起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的

3、过载能力，要求实现理想的起动过程。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的理想起动过程如图3-1(b)所示，起动电流呈方形波，即在整个起动过程中，使起动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩起动，转速迅速按线性规律增长，以缩短起动时间； 起动过程结束后，电流从最大值迅速下降到负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统由于电流不能突变，图3-1(b)的理想波形只能近似得到，不能完全实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是在起动过程中要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控

4、制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。现在的问题是，我们希望能实现这样的控制：起动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈； 稳态时只有转速负反馈，没有电流负反馈。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统怎样才能做到既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环负反馈直流调速系统正是用来实现上述目标的。在电动机起动时，让转速调节器饱和，不起作用，电流环调节器起主要作用，用以调节起动电流并使之保持最大值，使得转速线性变化，迅速上升到给定值； 在电动机稳定运行时，转速调节器退出饱和状态，开始起主要调节作用

5、，使转速随着转速给定信号的变化而变化，电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统3.1.1双闭环直流调速系统的组成1. 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)连接，如图3-2所示。图中：U*n为转速给定信号(电压信号形式)，Un为转速反馈信号，Un为转速偏差信号； ASR为转速调节器； U*i为电流给定的电压信号，Ui为电流反馈信号，Ui为电流偏差信号； ACR为电流调节器； Uct为晶闸管整流桥的脉冲触发控制信号；

6、 GT为脉冲触发装置； TG为测速发电机； TA为电流互感器； UPE为电力电子变换器(即三相全控桥式晶闸管整流器)。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图3-2转速、电流双闭环直流调速系统结构第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图3-2中，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环，转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环，所以称此系统为双闭环调速系统。从闭环结构上看，转速环包围电流环。电流环在里面，称为内环(又称副环)； 转速环在外边，称为外环(又称主环)。在电路中，转速环ASR和电流环ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR的输出去控制电力电子变换器UPE的触发

7、器。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统2. 双闭环直流调速系统的电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用比例积分(PI)调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图3-3所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uct为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图中还标出了两个调节器的输出都是带有限幅作用的，ACR的输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值Udm； ASR的输出限幅值为U*im，它决定了电流调节器给定电压的最大值。当调节器饱和时，其输出

8、值为一恒定值(等于限幅值)，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于使该调节器开路。正常运行时，电流调节器不会饱和，只有转速调节器会出现饱和和不饱和两种情况，具体描述详见后面的动态分析。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图3-3双闭环直流调速系统电路原理图 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统3.1.2双闭环直流调速系统的工作原理为了更清楚地了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，必须对双闭环调速系统的稳态结构图进行分析。图3-4为双闭环调速系统的稳态结构图，它可以很方便地根据电路原理图(见图3-3)画出来，

9、只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。电流调节器ACR和转速调节器ASR的输入、输出信号的极性主要视触发电路对控制电压Uct的要求而定。假如触发器要求电流调节器ACR的输出电压Uct为正极性，由于调节器一般为反相输入，那么则要求ACR的输入电压U*i为负极性，因此，转速调节器ASR的给定电压U*n则要求为正极性。下面主要根据电流环和转速环的工作过程来说明双闭环直流调速系统的工作原理。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图3-4双闭环直流调速系统的稳态结构图第3章 转速、电流双闭环直流调速系统1) 以电流调节器ACR为核心的电流环电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回

10、路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。由于ACR采用PI调节器，在调速系统稳定运行时，ACR的输入偏差电压Ui=U*i-Ui=U*i-Id=0，即Id=U*I /，其中为电流反馈系数。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统当U*i一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在U*i /数值上。当IdU*i /时，自动调节过程如下： IdUiUctUdId最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统2) 以转速调节器ASR为核心的转速环转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈

11、作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足Un=U*n-Un=U*n-n=0， 即n=U*n /，其中为转速反馈系数。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统当U*n一定时，转速n将稳定在U*n /数值上。当n0很大，转速调节器ASR很快达到饱和状态，ASR的输出维持在限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。在这种情况下，电流负反馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂特性，如图3-5中的AB段虚线所示。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统此时，电流，Idm为最大电流，是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力

12、和拖动系统允许的最大加速度，一般选择为额定电流IdN的1.52倍。注意，图3-5中的AB段下垂特性只适合于nn0，则ASR退出饱和状态。*imddmUII第3章 转速、电流双闭环直流调速系统图3-5双闭环直流调速系统的静特性 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统2) 转速调节器不饱和当转速n达到给定值且略有超调时(即nn0)，Un=U*n-Un0，则转速调节器ASR的输入信号极性发生改变，ASR退出饱和状态，转速负反馈环节开始起转速调节作用，最终使转速保持恒定，即Un=U*n-Un=0， ,如图3-5中的CA段虚线所示。*nUn第3章 转速、电流双闭环直流调速系统但是由于转速环是外环，起主导作

13、用，而电流环的作用只相当于转速环内部的一种扰动作用，因而只要转速环的开环放大倍数足够大，最终靠ASR的积分作用，可以消除转速偏差。因此，双闭环系统的稳态特性具有近似理想的“挖土机特性”(如图3-5中实线所示)。由图3-5可知，由于ASR不饱和，U*iU*im，则有IdIdL，n升速； (2) IdU*n)，转速调节器ASR的输入偏差电压Un=U*n-Un0，ASR开始退出饱和状态，ASR的输出电压U*i和电枢电流Id很快下降。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统但是，由于电枢电流Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍将继续上升，直到Id=IdL时，转速Te=TL， 则dn/dt=0，

14、转速n才到达峰值(t=t3时)。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内(t3t4)，电枢电流Id也出现一段小于负载电流IdL的过程，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快跟随其给定值U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统注意：转速调节器ASR在第一阶段末达到饱和状态，第二阶段保持饱和状态，第三阶段为不饱和状态； 而电流调节器ACR在三个阶段中都处于不饱和状态。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特

15、点。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统(1) 饱和非线性控制。根据转速调节器ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统； 而当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征，决不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统，只能采用分段线性化的方法来分析。第3章 转速、电流双闭环直流调速系统(2) 准时间最优控制。起动过程中主要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段。它的特征是维持电流恒定不变，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称为“时间最优控制”。但是，整个起动过程与理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第、阶段电流不是突变的。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的部分，影响不大，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用